计算机硬件基础

一、计算机的组成

五部分组成：

输入设备
输出设备
存储器
运算器
控制器

1. 输入设备
   把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中
   如键盘、鼠标、摄像头等

2. 输出设备
   把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机外
   如显示器、音响、打印机等

3. 存储器
   存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础
   如内存、硬盘等

4. 运算器
   CPU中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元ALU

5. 控制器
   控制器是CPU的指挥中心,其控制着整个CPU执行程序的逻辑过程

注：运算器和控制器共同组成了CPU

二、总线

1. 总线
   总线是计算机中各个部件之间传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为数据总线、地址总线、控制总线
2. DMA总线
   DMA(Direct Memory Access)即直接存储器访问，使用DMA总线可以不通过CPU直接在存储器之间进行数据传递
   

三、多级存储结构与地址空间

1) 三级存储结构

使用三级存储结构是为了兼顾速度、容量、价格

1. Cache
   速度最快、价格最贵、容量最小、断电数据丢失、cpu可直接访问
   存储当前正在执行的程序中的活跃部分,以便快速地向CPU提供指令和数据
2. 主存储器
   速度、价格、容量介于Cache与辅存之间、断电数据丢失、cpu可直接访问
   存储当前正在执行的程序和数据
3. 辅助存储器
   速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、cpu不可直接访问
   存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存

2) 地址空间

一个处理器能够访问（读写）的存储空间是有限的,我们称这个空间为它的地址空间（寻址空间）,一般来说N位地址总线的处理器的地址空间是2的N次方

1.简述为什么地址总线为32bit的处理器的地址空间为4G
答：一个处理器访问的存储空间不是无限的，是受地址总线的影响。所以地址总线为32bit，地址空间就是2^32，也就是4GB

四、CPU工作原理

一条指令的执行分为三个阶段

1. 取址：
   CPU将PC寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回
   到CPU中的指令寄存器（IR）
2. 译码：
   译码器对IR中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算
3. 执行：
   控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，运算结果写入寄存器

每执行一条指令后PC的值会自动增加指向下一条指令

CPU的工作原理：
1. 控制器中的PC指令计数器向内存发出想要执行指令的地址
2. 内存迅速定位到改地址，取内容通过总线发送到指令寄存器IR中
3. 指令寄存器IR发送给指令译码器
4. 指令译码器经过处理发送到运算器中相应的电信号进行运算
5. PC指令计数器自动+1